用于测定谷物中蛋白质含量及深度分布的核分析方法研究

论文摘要

蛋白质是极其复杂的含氮有机化合物，是体现生命现象的物质基础，一切生命活动均与蛋白质密切相关。蛋白质供给状况，直接关系到人们的身体素质和智力水平，同时也是衡量一个国家经济和科学文化发达程度的重要标志。保证蛋白质供应量、提高优质蛋白质供给水平是我国食品计划的主要任务之一，而目前大多数动物蛋白的获得，是以消耗植物蛋白为基础，因此，提高植物蛋白的产量是解决问题的关键。开发培育高蛋白质含量、高蛋白质质量谷物品种，保证单位面积上蛋白质收获量的提高，是最具应用前景的方法之一。随着我国人口不断增加、人民生活水平的进一步提高，一方面要求消费更多粮食；而另一方面，耕地面积和水资源逐年减少的趋势又不可逆转，在此情况下高蛋白质含量、高蛋白质质量谷物品种的成功培育又具有特别的重要性，它通过提高粮食的营养价值从而提高其使用价值，其意义与提高产量相同。提高蛋白质含量、改善其蛋白质质量一直是谷物育种的一个重要方向，在这一工作中，不管是对亲本的选择，还是对遗传源的确定，其第一步总是对种子中蛋白质含量的测定。因此研究建立适合于谷物蛋白育种工作需要的蛋白质含量分析检测方法具有重要意义。在大规模的谷物蛋白质选种培育工作中，汇集了来自国内外的各种育种材料，为了从中分离出有用的杂交组合或遗传变异体，需要分析的样品数量成千上万；而在育种的早期，样品的种子量极为有限，育种学家可以分离出来用于分析的种子只有几粒；同时由于谷物种子中蛋白质含量实际存在的极大的易变性，因此对种子中蛋白质含量的测定及筛选方法有其相应要求：其一是快速、价廉，以满足对成千上万个样品分析的需要；其二是能对小量样品进行分析，即能实现对几粒种子样品的分析：其三最好能识别基因型，从而在选种培育的早期排除由非遗传因素造成的高蛋白含量的种子，减少育种学家的工作量，提高选种效率。在众多的谷物蛋白含量测定方法中，基于14N（d，p）15N核反应的瞬发质子测量法由于其自身特点，可以很好满足谷物蛋白育种工作的需要，而四川大学原子核科学技术研究所拥有1.2M回旋加速器，具有开展用核反应方法分析谷物蛋白质含量的设备条件。因此我们利用其产生的13.6MeV氘束，开展了“用于测定谷物中蛋白质含量及深度分布的核分析方法研究”工作。在谷物种子中主要是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）四种元素，其中氮元素的数目正比于种子内蛋白质含量，而碳元素的数目可用来标记种子中干物质的多少；因此蛋白质含量的测定实际上便转化为氮元素含量的测定，而氮、碳元素比则可以很好表征谷物种子中蛋白质含量高低。当用回旋加速器产生的13.6MeV的氘（d）束照射谷物样品时，氘与样品中碳、氧、氮元素发生氘一质子（d，p）核反应，由于14N（d，p）15N核反应有更高的Q值，因此其产生的出射质子能量更高，因而存在一个质子能量范围，不带入12C（d，p）13C、16O（d，p）17O反应产物的贡献，通过对来自于14N（d，p）15N反应出射质子的甄别记录，可求得样品中氮元素的含量：而由于带电粒子（入射氘和反应产生的质子）在物质中的能量损失，因此不同深度发生的15N（d，p）15N核反应产生的出射质子能量不同，记录的质子能量和离样品表面的距离之间存在有单值对应关系，因而利用测得的出射质子能谱可以分析得到氮在样品中的深度分布。本文基于核反应分析的基本原理，通过对谷物样品元素组成以及13.6 MeV氘束与这些元素发生的核反应物理特性的分析，阐明了对蛋白质含量均匀分布的谷物样品的最佳测量条件，对影响种子中蛋白质含量深度分布测定的相关因素进行了分析计算。根据选种工作的实际需要，建立了相关设备。以耐辐射、易于较正且长期稳定性好的的CsI（Tl）晶体作为探测器，建立了可长期使用的多角（120°、150°、165°）多路CsI（Tl）探测器分析系统，通过对氮、碳元素比的测定，实现了对蛋白质含量均匀分布的谷物样品中蛋白质含量的快速甄别；采用谷物中蛋白质含量测定的标准方法—K氏法对测量结果的正确性进行了验证，同时标定出了氮、碳元素比与蛋白质含量间的转换关系：而利用12C（d，p）、16O（d，p）核反应微分截面的特点，建立了对样品中水分含量的同步监测系统：利用建立的多角多路CsI（Tl）探测器分析系统对小麦、水稻、油菜样品的氮、碳元素比进行了测定分析：同时在0.6—5MeV质子能区，对ST1422塑料闪烁体光输出随质子能量的非线性变化关系进行了测定，以便于用ST1422塑料闪烁体（发光衰减时间小于1ns）探测器替代CsI（Tl）探测器时对测得质子能谱形状的分析。采用多角多路探测器系统，每个角度的探测器功能单一，易于标定：而同一角度环形设置多路探测器，可以进一步提高样品分析速度；在分析过程中由于只需记录探测器系统的定标器计数，因而数据处理简单，易于实现分析测试过程的自动化，在350nA氘束流强照射下，5秒种便可完成对一个谷物样品的分析，很好满足了谷物蛋白育种工作中对分析速度的需求，而几粒种子（甚至单粒）的样品量都可采用该方法进行分析。采用灵敏层厚度为3mm的锂漂移金硅面垒型半导体探测器，研究建立了对谷物种子中氮元素含量深度分布进行测定的能谱分析系统；采用α放射源对半导体探测器进行了能量刻度；采用13.6MeV氘束照射蜜胺（C3H6N6）薄靶，研究确定了可用于深度分布测量的质子能区范围，并对来自于氮的出射质子的能量分辨进行了测定。对记录能谱中质子能量（即道数）与氮深度的对应关系进行了实验标定，实现了将测得的质子能谱道数转换为其对应的氮元素深度；而采用氮元素含量均匀分布的厚标准样品靶，对其在13.6MeV氘束照射下的出射质子谱进行测定，以其为标准归一消除14N（d，p）15N核反应微分截面随能量变化的影响，得到种子样品中氮元素的深度分布。采用建立的半导体能谱分析系统对小麦种子中氮元素含量深度分布进行了测定，其有效分析深度可达300μm，而深度分辨约25μm，完全可以将小麦的不同层次结构区分开，因而可用于谷物颖果发育过程中不同形态部分氮元素（蛋白质）的存储转运规律研究、种子中蛋白质分布与品种遗传相关性、环境因素对不同形态部分蛋白质含量的影响研究等工作，并进而建立对基因型高蛋白种子的识别筛选方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究工作的目的意义
• 1.2 高蛋白谷物育种研究中对蛋白质含量测定方法的要求
• 1.3 谷物中蛋白质含量测定方法
• 1.3.1 氮元素含量与蛋白质含量相互关系
• 1.3.2 传统的蛋白质含量分析方法
• 1.3.2.1 凯氏法
• 1.3.2.2 比色测定法（DBC法）
• 1.3.2.3 双缩脲法
• 1.3.2.4 近红外分析方法
• 1.3.2.5 核反应分析方法
• 1.4 本工作研究内容
• 1.5 章节安排
• 第二章 核反应方法测定原理及实验条件的最优化
• 2.1 谷物种子的主要元素组成
• 2.2 氘与谷物中元素发生的核反应的物理特性
• 2.3 均匀试样中实验条件的最佳化研究
• 2.3.1 氘束与样品靶间几何位置选择
• 2.3.2 照射氘能量、质子记录角度选择及分析层厚度计算
• 2.3.3 氘束流归一化方法选择
• 2.3.4 结论
• 2.4 依照颖果深度测量氮分布可能性的研究
• 2.4.1 小麦颖果结构
• 2.4.2 能量-深度对应关系
• 2.4.3 "理想"几何形状时,能量分辩的计算
• 2.4.3.1 氘能散的计算
• 2.4.3.2 角度歧离δθ（x）的计算
• EM²的计算'>2.4.3.3 靶物质引起的质子能散δ_EM²的计算
• 2.4.3.4 吸收片引起的质子能散δn的计算
• 2.4.4 探测器对靶张角的选择
• 2.5 小结
• 第三章 实验装置
• 3.1 加速器
• 3.2 磁分析器
• 3.3 聚焦透镜及准直器光阑
• 3.4 大靶室系统
• 3.5 样品自动走位系统
• 3.5.1 步进电机的特点
• 3.5.2 步进电机驱动器工作原理
• 3.5.3 线路分析
• 3.5.4 装置调试步骤
• 3.6 探测器系统
• 3.7 小结
• 第四章 均匀试样中蛋白质含量的快速测定
• 4.1 谷物蛋白质育种工作中的分析样品的采集及预处理
• 4.2 氮、碳元素比快速测定的具体实现及实验条件选择
• 4.2.1 样品靶的制备
• 4.2.2 出射质子探测器
• 4.2.3 吸收片的作用及其厚度选择
• 4.2.3.1 出射粒子能量计算
• 4.2.3.2 吸收片厚度的确定
• 4.2.4 CsI（Tl）晶体厚度选择
• 4.2.5 光阑及探测器与样品靶间距离选择
• 4.3 实验测量
• 4.3.1 探测器系统的标定
• 4.3.1.1 标准簿膜样品出射质子能谱测量
• 4.3.1.2 单道上下阈值设置
• 4.3.2 谷物样品中氮碳元素比的测定
• 4.4 方法的验证及相关问题讨论
• 4.4.1 方法的验证
• 4.4.2 照射氘束流强及照射时间对测量结果的影响
• 4.4.3 水分含量变化的同步监测研究
• 4.4.4 计数负载效应
• 4.4.5 ST1422塑料闪烁体光输出随质子能量响应函数的测定
• 4.4.5.1 原理及方法
• 4.4.5.2 实验测量
• 4.4.5.3 数据处理与结果讨论
• 4.5 研制的测量系统在实际工作中的应用
• 4.5.1 对小麦种子的测量
• 4.5.2 对大米的测量
• 4.5.3 对油菜籽的测量
• 4.6 小结
• 第五章 谷物种子中氮元素含量深度分布的测定
• 5.1 氮元素含量深度分布测量装置
• 5.1.1 半导体探测器性能及偏压选择
• 5.1.2 探头结构
• 5.1.3 吸收片的选择
• 5.1.4 探测器与样品靶间距离选择
• 5.2 薄靶出射质子谱的测量
• 5.2.1 薄靶的制备
• 5.2.2 出射质子谱的测量
• 5.2.3 测量结果及分析
• 5.3 深度刻度
• 5.3.1 深度标定
• 5.3.2 探测器能量刻度
• 5.4 氮均匀分布的厚样品中出射质子能谱测定
• 5.5 小麦种子中蛋白质深度分布测量
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文研究的主要内容及结论
• 6.1.1 研究工作的主要内容
• 6.1.2 结论
• 6.2 本文的主要创新之处
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 作者在读期间科研成果简介
• 致谢